寧效偉(廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東 韶關(guān) 512132)
基于軸承分析的電機(jī)早期故障診斷方法及其應(yīng)用
寧效偉
(廣東省粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠,廣東韶關(guān)512132)
電機(jī)是發(fā)電廠中極其重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備,電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性主要依賴于軸承,所以,對電機(jī)軸承早期的、輕微故障進(jìn)行及時與有效的判斷,變得越來越重要。本文以電機(jī)軸承各部位的輕微故障為重點,闡述了電機(jī)軸承的失效形式、失效原因以及故障的研究方法,總結(jié)出了滾動軸承故障時的振動頻率與故障的對應(yīng)部位,結(jié)合利用紅外熱像儀測得的電機(jī)端蓋表面溫度場的分布規(guī)律,得出了一種用于電機(jī)軸承早期故障的有效診斷方法,以防止電機(jī)故障的發(fā)生與提高設(shè)備檢修的消缺效率。
電機(jī);軸承故障;振動頻率;故障診斷
電機(jī)是發(fā)電廠中極其重要的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備,其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性,直接關(guān)系到整臺發(fā)電機(jī)組的功率出力與安全運(yùn)行,因此,對處于的運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)故障的正確診斷,不但可以防止電機(jī)事故的發(fā)生,而且可以事先確定設(shè)備的修理方案與準(zhǔn)備好相應(yīng)的備品備件,以縮短設(shè)備的檢修時間與提高設(shè)備的消缺效率。
排除電機(jī)電源以及電機(jī)所聯(lián)接的機(jī)械方面帶來的故障現(xiàn)象,電動機(jī)常見的故障主要有:定子繞組故障(繞斷路、接地、繞短路、接錯嵌反等);轉(zhuǎn)子故障(鼠籠式轉(zhuǎn)子的斷條、轉(zhuǎn)子軸彎曲、軸頸磨損、鍵槽損壞等);電機(jī)軸承故障(缺油或少油導(dǎo)致的發(fā)熱、軸承損壞等);電機(jī)本體故障(機(jī)座松動、端蓋止口磨損、本體部分變形破裂等)。
在上述原因中,電機(jī)軸承是電機(jī)最易損壞的部件之一。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,因滾動軸承故障導(dǎo)致的電機(jī)故障約占電機(jī)總故障的40%,定子線圈及附件的故障占38%,轉(zhuǎn)子繞組及附件的故障占10%,其他類型的故障12%[1]。因此,電機(jī)軸承的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整臺電機(jī)的工作性能。發(fā)電廠中電機(jī)眾多,絕大部分軸承為滾動軸承,本文以滾動軸承的電機(jī)為研究對象。
電機(jī)軸承故障檢測的方法主要有以下三種:
(1)以振動信號為基礎(chǔ)的故障診斷:根據(jù)現(xiàn)場所采集的振動參數(shù)來進(jìn)行分析的方法,是目前應(yīng)用范圍最廣、最簡便也是最有效的一種方法。利用振動測試儀器或者傳感器,從電機(jī)對應(yīng)部位測量到相應(yīng)的軸承振動參數(shù),例如振幅、振速、頻率等等,然后從這些參數(shù)中提取所需的故障特征信息進(jìn)行故障檢測與判斷,由于滾動軸承各部位以及故障的嚴(yán)重程度,均可以從這些振動信號上反映出來,因此這種手段的準(zhǔn)備率比較高,得到了廣泛的使用;
(2)根據(jù)軸承的溫度幅值與趨勢來進(jìn)行故障診斷:軸承溫度的變化主要取決于軸承正常運(yùn)行中摩擦所產(chǎn)生的熱量以及軸承的本身和外加附件的散熱能力的強(qiáng)弱。當(dāng)軸承某個部件發(fā)生故障時,故障部件與完好的部件之間的摩擦?xí)觿。a(chǎn)生的熱量也會急劇增加,于是溫度便會升高,因此可以通過對軸承溫度絕對值與溫升速率的比較來進(jìn)行故障判斷,但是該方法容易受軸承散熱系統(tǒng)與環(huán)境溫度的影響,并且對軸承早期的、輕微的故障不靈敏,也不能反映出存在較嚴(yán)重故障的軸承的具體部位;
(3)通過采集軸承油樣進(jìn)行故障診斷:主要是對采集到的潤滑油本身以及油中存在的微小顆粒進(jìn)行的物理與化學(xué)分析,若軸承存在故障,則必然會導(dǎo)致油中存在微小的金屬顆粒,但是油樣分析,嚴(yán)重依賴于采樣者的個人經(jīng)驗、采樣部位,同時化學(xué)分析需要高度的專業(yè)性,一般適合于定期進(jìn)行檢測。
此外,還有利用軸承在運(yùn)行中因滾動體沖擊會產(chǎn)生一些寬帶高頻沖擊脈沖振動的基于沖擊脈沖信號故障診斷[2],利用軸承在運(yùn)行中滾動體引起接觸面的彈性沖擊而產(chǎn)生聲發(fā)射信號的聲發(fā)射故障診斷[3],利用金屬與潤滑油導(dǎo)電性能不同的特性、以及油膜電阻與油膜厚度所固有的關(guān)系而開發(fā)出來的軸承油膜電阻診斷法[4],等等,均存在一定的局限性。
滾動軸承的失效形式主要有:(1)磨損失效,(2)疲勞剝落(點蝕),(3)腐蝕失效,(4)斷裂失效,(5)壓痕失效,(6)膠合失效,(7)保持架損壞。
電機(jī)軸承故障的主要來源于幾個方面:
(1)制造、設(shè)計與材質(zhì):設(shè)計不合理,特性不良,運(yùn)行時發(fā)生自激振動或者強(qiáng)迫振動;軸承結(jié)構(gòu)不合理、部件應(yīng)力集中;材質(zhì)不當(dāng),強(qiáng)度剛度不夠等;
(2)組裝工藝:組裝不當(dāng);與機(jī)械的軸系校中不準(zhǔn);機(jī)械與電機(jī)的參數(shù)調(diào)整不當(dāng);轉(zhuǎn)子微弱彎曲或長期放置不當(dāng),改變了動平衡精度等;
(3)電機(jī)運(yùn)行工況:軸承潤滑不良或散熱系統(tǒng)故障;啟動、升降速過程中操作不當(dāng)?shù)?;電機(jī)長期超轉(zhuǎn)速或過低轉(zhuǎn)速運(yùn)行,改變了電機(jī)的工作特性;
(4)電機(jī)老化:軸承與端蓋的止口磨損、點蝕或腐蝕;上下端蓋等配合面存在應(yīng)力并磨損,產(chǎn)生過盈或松動;運(yùn)行時間超過年限,鐵芯硅鋼片松動從而導(dǎo)致主軸擾度增大等。
當(dāng)電機(jī)軸承運(yùn)行時,軸承內(nèi)圈會有帶著一定的負(fù)載、并具有相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度,必然會對整個軸系系統(tǒng)產(chǎn)生激勵,從而導(dǎo)致軸承系統(tǒng)的振動。在使用中,滾動體因要承受所帶的機(jī)械負(fù)載,其表面的凹凸形狀是未知的,也沒有規(guī)律可循,因此在承受沖擊力時所產(chǎn)生的沖擊信號也是難以預(yù)測的,所以這個時候所測到振動信號就是由各種頻率的振動信號隨機(jī)組合而成的。當(dāng)軸承發(fā)生故障時,軸承的轉(zhuǎn)動速度、內(nèi)外圈和滾動體表面的凹凸形態(tài)共同構(gòu)成了軸承沖擊力的頻譜與振動系統(tǒng)的傳遞性。因此,故障時候的振動頻率,是由軸承的外圈、內(nèi)圈和滾動體三者的振動頻率共同決定的。一般情況下,軸承的故障程度越嚴(yán)重、旋轉(zhuǎn)的速度越高,振動的幅值就會越大。軸承的尺寸決定了滾動軸承的固有頻率,因此,因軸承各部位故障所導(dǎo)致的振動,對于滾動軸承的固有頻率是沒有影響的[5]。當(dāng)軸承故障時,所獲得的振動信號,是多種頻率的振動信號混合在一起,需要區(qū)別開來,因而基于振動信號的故障判斷,就是根據(jù)滾動軸承的轉(zhuǎn)動速度和不同的故障頻率進(jìn)行的,所以需要分析軸承各個部位的故障頻率和提取相應(yīng)的故障特征。
4.1電機(jī)特征頻率
電機(jī)主轉(zhuǎn)動軸上的部件主要包括轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子本體、以及軸承等,在較低的轉(zhuǎn)速下,電機(jī)的特征頻率就是主軸的轉(zhuǎn)頻:?=N/60,N為主軸轉(zhuǎn)速。主軸的振動能量是整臺電機(jī)振動能量的主要部分,其振動頻率處于電機(jī)各部位振動頻率中的最低頻段。這種振動對應(yīng)的主要故障:軸承不平衡、軸承對中不良、軸承存在裂紋或腐蝕等,故障時的頻率特性:易出現(xiàn)轉(zhuǎn)頻的整數(shù)倍次諧波分量,且較多。
4.2減速箱特征頻率[6]
故障主要有:磨損、偏心、不平衡、齒輪軸對中不良、點蝕等,各故障的特性如下:
(1)齒輪表面的磨損:隨著齒輪表面的磨損程度的加劇,各次諧波的幅值增加較快,而且二次諧波的幅值會大于嚙合頻率的幅值;
(2)齒輪的不平衡、對中不良:在振動信號中表現(xiàn)為邊帶,主要出現(xiàn)在與旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)的各次諧波頻率。
(3)齒輪的局部故障和點蝕:在各次諧波頻率和嚙合頻率的兩邊產(chǎn)生一系列的邊頻帶,且含有一系列的變頻成分,但是兩者是不同的,點蝕時幅值比較大、過頻成份少但集中,局部故障時幅值比較小、邊頻數(shù)量較多且分散均勻。
4.3滾動軸承特征頻率[7]
軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率m個滾動體(或保持架)經(jīng)過軸承內(nèi)圈上一點的頻率m保持支架旋轉(zhuǎn)頻率m個滾動體(或保持架)經(jīng)過軸承外圈上一點的頻率m滾動體上一點通過軸承內(nèi)圈或軸承外圈頻率
4.4滾動軸承故障時的振動特性
故障類型 特征頻率 故障類型 特征頻率 故障類型 特征頻率裝配不正或軸承存在變形z±滾動體大小不一致?m ±(m=1,2,3…)滾動體橢圓度m ?m潤滑不良(m=1,2,3…)內(nèi)外圈橢圓度 2軸承偏心 (m=1,2,3…)(m=1,2,3…)內(nèi)圓上有點蝕 (有徑向間隙時) m±m(xù)z2mz(m=1,2,3…)外圓出現(xiàn)點蝕(m=1,2,3…)滾動體出現(xiàn)點蝕 (無徑向間隙時) (m=1,2,3…)內(nèi)圓上有點蝕 (無徑向間隙時) mz2mz±(m=1,2,3…)滾動體出現(xiàn)點蝕 (有徑向間隙時) (m=1,2,3…)
當(dāng)電機(jī)軸承出現(xiàn)故障后,其表現(xiàn)出來的一個重要特征就是軸承安裝部位的溫度升高,隨著軸承故障的惡化,軸承產(chǎn)生的熱量會超過軸承的散熱能力,導(dǎo)致軸承部位的溫度快速升高。通過試驗發(fā)現(xiàn)[8]:發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承的端蓋溫度分布,不論故障軸承還是正常軸承,溫度都是沿徑向從內(nèi)到外逐步降低,并且在端蓋軸承座的正對部位,溫度變化緩慢,但是從軸承外徑繼續(xù)向外,端蓋溫度下降迅速;在同負(fù)荷條件下,軸承故障越嚴(yán)重,其端蓋的表面溫升越大,因此可以通過相似或同樣負(fù)載條件下的端蓋表面溫升的變化,對軸承狀態(tài)進(jìn)行初步判斷,但電機(jī)端蓋表面的絕對溫升隨負(fù)荷增加而升高,因此不能僅僅憑借端蓋表面溫升來對相應(yīng)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷;電機(jī)負(fù)荷的變化雖然對端蓋溫升影響很大,但是對端蓋溫度場的分布規(guī)律影響卻很?。ㄝS承有故障時,軸承安裝位置附近的端蓋位置的溫度與周圍的溫度邊界輪廓清晰,而正常軸承卻模糊),基本可以忽略。紅外熱成像儀操作簡便、顯示直觀,能直接在不影響設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)下顯示各端蓋的溫度分布,盡管對電機(jī)軸承狀態(tài)的判斷缺乏相應(yīng)的理論依據(jù),但可以利用測得的電機(jī)端蓋表面溫度場分布規(guī)律,對電機(jī)軸承狀態(tài)進(jìn)行實時初步判斷。
電機(jī)故障的原因很多,但大體上可分為電機(jī)本體原因和外部原因,電機(jī)故障的外部原因比較容易發(fā)現(xiàn)與排除,本體原因比較復(fù)雜,其中電機(jī)軸承故障是電機(jī)安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié),尤其是電機(jī)軸承是否有早期的、輕微的故障(振動幅值、軸承溫升、電流等參數(shù)均不明顯),以及軸承的故障部位的確定是軸承判斷的難點,因此,積極與有效的對運(yùn)行中的電機(jī)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷與評估,及時將電機(jī)解體大修,可以有效防止電機(jī)故障的發(fā)生??梢岳帽疚闹械姆椒?,得到一個有效的電機(jī)軸承故障診斷方法:一方面利用紅外熱成像儀,測得的相關(guān)工況下電機(jī)端蓋表面溫度場的分布規(guī)律,進(jìn)行對照比較,從而對電機(jī)軸承的狀態(tài)進(jìn)行初步判斷;另一方面從現(xiàn)場測得電機(jī)軸承的振動頻率,查得該電機(jī)的軸承參數(shù),計算出軸承的特征頻率;當(dāng)兩種方式都確定電機(jī)軸承存在故障時,則可安排電機(jī)進(jìn)行解體大修,并對照上述中的頻率與故障類型,結(jié)合實際運(yùn)行參數(shù),查找并確定電機(jī)軸承的故障部位,做好預(yù)處理方案與備品備件的準(zhǔn)備,提高設(shè)備檢修的消缺針對性與消缺效率。
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寧效偉(1979—),男,湖南邵陽人,研究生,工程碩士,主要從事:發(fā)電廠電氣一次設(shè)備的檢修與技術(shù)研究工作。